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Das Pendel einer Uhr und die Zunge eines Frequenzmessers sind mechanische, schwingungsfähige Systeme, die, wenn man von elektrischen Antriebsmöglichkeiten absehen will, durch kleine mechanische Impulse bzw. Erschütterungsstössc in Schwingungen versetzt werden können.
Will man, wie im vorliegenden Falle, grössere und selbst ganz grosse mechanische Leistungen unter Zuhilfenahme mechanisch schwingender Systeme und eventuell auch bei hoher Sebwingungszahl über- tragen, so kommt man jedoch mit diesen Mitteln nicht mehr aus, denn einer Leistung von beispielsweise
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Gebilde aufweist. Durch die festen Punkte il wird in beiden Fällen die an der Achse a befestigte Feder b so gehalten, dass sie bei einer Verschiebung der Masse a in ihrer Längsachse in einem oder anderem Sinne gespannt wird.
Zunächst soll nun das System Fig. 1 in Schwingungen versetzt werden. Es entspricht der Eigenart eines derartigen Systems, erst mit ganz kleiner Schwingungsamplitude zu beginnen und sich dann so lange hinaufzuschaukeln, bis die zugeführte Energie der durch Dämpfung abgegebenen entspricht und damit der Höchstwert des Ausschlages erreicht ist. Ein starrer Kurbeltrieb würde diesen Bewegungsvorgängen natürlich nicht folgen können. Es muss vielmehr ein neues elastisches Element eingeführt werden, und dies soll in Anlehnung an das elektrische Schwingungsgebiet "Kopplungsvorrichtung" genannt werden, u. zw., da man sich in der Mechanik auch starre Kopplungsvorrichtungen vorstellen kann,
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genden System a, b geradegeführte Stange i in Verbindung mit der Feder 7c eine solche.
Die elastische Kopplungsvorrichtung ist somit eine zum Zwecke ununterbrochener Energie- übertragung dienende Verbindungsvorrichtung schwingender Systeme, die auf Grund ihrer elastischen Eigenschaft den Bewegungsvorgängen schwingender Systeme mit veränderlicher Amplitude zu folgen vermag.
Wird die Kurbel g in Bewegung gesetzt, so wird abwechselnd die Feder k zusammengepresst und gedehnt. Die hiedurch hervorgerufenen Druck- und Zugkräfte übertragen sich über die Achse a auf die Feder b, die zunächst kleine, dann immer grösser werdende Durchbiegungen erleidet und schliesslich, beim Eintritt der Resonanzlage, ihren maximalen Ausschlag (grösste Amplitude) erreicht. Die Amplitude des
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und Verlustleistung) entzogen ist. Verringert sich die Dämpfung des Systems a, b, durch irgendwelche Verhältnisse, so vergrössert sich seine Amplitude so lange, bis wiederum die entzogene Energie gleich der zugeführten ist. Im umgekehrten Falle tritt ein Abfall der Amplitude des Systems s, b ein.
Da eine durch Dämpfung im System a, b hervorgerufene Amplitudenänderung auch eine Amplitudenänderung im System i, und ferner eine Änderung der Phasenverschiebung zwischen beiden Systemen im Gefolge hat,
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mehr oder weniger Energie pro Schwingung überträgt, wird sie als festere oder losere Kopplung bezeichnet.
Eine lose Kopplung kann also durch Verstärkung der elastischen Mittel oder durch Vergrösserung des Weiges (Amplitude, Hub, Ausschlag) festergemacht werden und umgekehrt. Die Gesamtarbeit, welche
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P.f.
. i =- und somit pro Schwingung: A = P.f., wenn f die Durchbiegung und P die hiezu erforderliche Kraft bedeutet und sinusförmiger Verlauf angenommen wird.
An einem mechanischen Sehwingungsvorgang sind somit ganz allgemein drei voneiilander unter- scheidbare Vorrichtungen beteiligt, u. zw. :
1. das erregende System (der Oszillator) g, h (im vorliegenden Falle als Kurbeltrieb ausgebildet) ;
2. das sammelnde (akkumulierende) oder erregte System (der Resonator) a, b und schliesslich
3. die elastische Kopplung.
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Masse und elastischen Mitteln und besitzt eine ausgesprochene Eigenschwingung, womit es dem ganzen Vorgang seine Eigenart aufprägt...
Die Verbindung zwischen dem erregenden und dem erregten System wird durch das dritte Glied,
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führungsvorrichtungen und anderen Masse verkörpernden Elementen versehen sein kann, besteht ihrem Wesen nach lediglich aus einem verbindenden, elastischen Mittel. Sie hat demnach vorteilhafterweise auch keine Eigenschwingung, sondern schwingt aperiodisch. Selbstverständlich wird aber am'Wesen der Erfindung nichts geändert, wenn die'Kopplung ebenfalls als schwingungsfähiges System ausgebildet und eventuell mit anderen Systemen abgestimmt wird. Verbindet man das System Fig. 1 und das System Fig. 2 durch ein starres Zwischenstück miteinander, so wirken beide Systeme wie ein einziges. Die resultierende Sehwingungsdauer dieses Systems berechnet sich aus :
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darstellen.
Verbindet man dagegen die beiden Systeme durch eine elastische Kopplung, so behält jedes seine Eigenschwingung bei, und beide verhalten sich wie zwei sogenannte gekoppelte Systeme in der Elektrotechnik.
Stellt man sich vor, dass zwei gekoppelte mechanische Systeme zwar gleiche Periodenzahl, aber verschiedene Amplituden aufweisen, so entsteht eine Transformierung, beispielsweise von grosser Kraft-wirkung bei kleinem Weg auf kleine Kraftwirkung bei grossem Weg oder umgekehrt.
Die elastische Kopplung ermöglicht somit schwingenden elastischen Systemen Energie zuzuführen oder zu entziehen und diese damit in weitem Umfange zur Energieübertragung und Umformung heranzuziehen.
In Fig. S ist ein Ausführungsbeispiel zur Darstellung gebracht, bei dem als elastisches Mittel beim Koppeln Luft verwendet ist. Das erregende System g, h ist ein Kurbeltrieb. Die Kopplung besteht aus
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Federkraft, im System a, b Luftkompression angewendet wird. In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel, bei welchem beide Systeme mit komprimierter Luft arbeiten. Die Koppelvorriehtung ist auch in diesem Falle mit i, k, kl, das Sammelsystem mit a, b,' i bezeichnet. Die beiden Kolben sind hier ineinandergeschachtelt. Sie können natürlich auch hintereinander angeordnet werden. Dasselbe gilt von federnden oder von kombinierten Systemen.
In Fisc. 5 zist ein schwingendes-System der beschriebenen Art mit Mitteln versehen, die eine Leistungsmessung ermöglichen. An dem beweglichen Teile a ist durch zwei Arme t eine Stange s befestigt, welche
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weiteren befindet sich auf der Welle a ein Bremsklotz p, welcher zwischen den beiden Federn 'und 'i gehalten und so beschaffen ist, dass er festem oder weniger fest an die Welle angepresst werden kann. Bewegt sich die Welle a nach einer Seite hin, so wird der Bremsklotz zunächst mitgenommen, bis die wachsende Spannung der betreffenden Feder die'Reibung auf der Welle a überwindet und ein Gleiten eintritt.
Aus der Kraft, mit der die Federn 'bzw ;t'i ; die-geeicht sind, bis zum Eintritt des Gleitens zusammengedrückt werden, und dem Weg. den der Bremsklotz auf der Welle a zurücklegt, lässt sich die Arbeit bestimmen. Die
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Die durch Bremsung entzogene Leistung, dividiert durch die zugeführte, ergibt den Wirkungsgrad.
Wendet man einmal ein elastisch schwingendes und mit elastischer Kopplung versehenes System und
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dann unter Beseitigung der Federn k und b und Einführung einer starren Verbindung zwischen hunt a ein starres System an, so kann mit Hilfe des beschriebenen Bremsdynamometers, Fig. 5, ein Vergleich zwischen dem Nutzeffekt der einen oder anderen Betriebsart angestellt werden.
Es ist selbstverständlich, dass auch alle diejenigen Mechanismen, die seither mit Stosserregung in Bewegung gehalten wurden (Uhren), mit elastischer Kopplung betrieben werden können und dass im letzteren Falle die zugeführte Energie viel feiner bemessen werden kann. Es entstehen auf diese Weise Uhren, die vollkommen lautlos gehen.
Man kann sich auch vorstellen, dass das koppelnde elastische Mittel gar nicht in Zylindern eingeschlossen wird, sondern dass beispielsweise eine schwingende Fläche in der umgebenden atmosphärischen Luft Schwingungen erzeugt, die sich auf eine benachbarte Fläche übertragen und auf diese Weise Energie übertragen.
Die Energieübertragung durch elastische Kopplung im Sinne der Erfindung beruht somit darauf, dass in dem die schwingenden Systeme verbindenden Zwischenglied Spannungen hervorgerufen und von diesem weitergegeben werden. Dieser Vorgang kann sich sowohl bei der Hin- und Rückbewegung als auch nur bei einer von beiden abspielen. Im letzteren Falle kann man von einer Art Ventilwirkung sprechen.
Da die auf diese Weise erregten Systeme, wie in Fig. 1 bis 5 angegeben, schwingungsfähige, aus elastischen Mitteln und Masse bestehende Gebilde sind, so verläuft die Energieübertragung nach einer
Resonanzkurve, d. h. bei von Null beginnender Tourenzahl steigt die Leistungsübertragung erst langsam,
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und damit, wie aus obigem hervorgeht, auch Resonanzlage und günstigster Wirkungsgrad an jede beliebige Stelle der Schwingungsskala verlegt werden kann, so ist es auf Grund der vorliegenden Erfindung in die Hand des Konstrukteurs gegeben, hin und her gehende Bewegungen von ganz beliebiger Schwingung- zahl mit vorzüglichem Nutzeffekt zur Anwendung zu bringen.
Die Fig. 6 bis 18 veranschaulichen Mechanismen, an denen das vorstehend beschriebene Prinzip praktisch verwertet wird. In allen diesen Figuren sind die Grundelemente mit den gleichen Bezugsbuchstaben versehen. Es bedeutet also in allen Fällen g und h den Antriebsmechanismus, k die elastische Kopplung, a, b das schwingungsfähige System.
Bei Fig. 6 ist das durch Kurbeltrieb g, h und durch Vermittlung der elastischen Kopplung c erregte schwingende System a, b eine Blattfeder, an der eine Schubstange angebracht ist, die ihrerseits Arbeit in Form von hin und her gehender Bewegung abgeben kann. Es könnte sich hiebei z. B. um die Schubstange einer Mähmaschine od. dgl. handeln. Beim Umlaufen der Kurbel g wird zunächst die Kopplung k, die durch Verschieben der Befestigul1gsstücke v und w fester oder loser gemacht werden kann, in Schwingungen versetzt. Diese Schwingungen übertragen sich auf das System a, b, welches mit dem Kurbeltrieb durch Verschieben der Masse a oder unter Zuhilfenahme anderer Mittel mit der Umlaufzahl abgestimmt wird.
Die Schubstange n, die ebenfalls durch das Befestigungsstück x verschiebbar angeordnet werden kann, entnimmt dem System die gewünschte mechanische Leistung, d. h. sie dämpft das System a, b durch Leistungsentnahme. Will man die Dämpfung des Systems a, b ändern, so kann dies durch Ver- schieben des Befestigungsstüekes x geschehen.
Fig. 7 stellt einen Uhrenmechanismus dar, der in einer Reihe von Punkten mit der vorbeschriebenen Einrichtung übereinstimmt. Das schwingende System ist in diesem Falle jedoch ein Pendel, d. h. also eine Masse a, die im Erdfeld schwingt und bei der das letztere die Stelle des elastischen Mittels vertritt.
Zur Aufrechterhaltung der Schwingungen wird dem Pendel durch das Gewicht G unter Vermittlung eines Räderwerkes und des Kurbeltriebes g, A Energie zugeführt. Das Pendel seinerseits aber wirkt durch Hemmung des Uhrwerkes steuernd auf dieses zurück, d. h. es lässt nicht zu, dass die Kurbel g mehr als eine Umdrehung pro Pendelschwingung macht. Die Bemessung der Energieverhältnisse erfolgt durch Verschieben der Befestigungsstücke v und 10, d. h. durch Änderung der Kopplung.
Fig. 8 stellt eine weitere Ausführungsform dar, die ebenfalls geeignet ist, Mechanismen zur Zeitmessung (Uhren usw.) durch schwingende Systeme zu steuern. Die Kurbelstange h und die elastische Kopplung k sind in diesem Falle in einem einzigen Element vereinigt.
In Fig. 9 ist ein Steuermeehanismus für Uhren veranschaulicht, bei welchem anstatt des im Erdfeld schwingenden Pendels eine Unruhe, d. h. ein aus Sammelieder b und schwingender lasse a bestehendes schwingendes System Anwendung findet. Die elastische Kopplung k ist in diesem Falle eine Spiralfeder, die durch den Kurbelmechanismus g, A d erregt wird.
In Fig. 10 treibt die'Kurbel g durch Vermittlung der elastischen Kopplung k eine schwingende Fläche a, b an. Wird eine derartigeFläche, die in sich sowohl Elastizität als auch Masse besitzt, in ihrer Eigenschwingung erregt, so schwingt sie in der in Fig. 10 angedeuteten Weise und erteilt der umgebenden Luft eine Bewegung, die in der genannten Figur durch Pfeile angedeutet und hinreichend durch den Vorgang des Fäehelns bekannt ist. Der Wirkungsgrad einer derartigen Vorrichtung ist, wenn man die elastischen Mittel nicht über die Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht, ein ganz vorzüglicher, o dass
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Einlichtmgen dier Alt überall dort mit Vorteil Verwendung finden können, wo man bisher rotierende Propeller benutzte.
Damit ist bereits gesagt, dass derartige Vorrichtungen auch als Vortriebsorgane für Gleitboote und Schiffe (im Wasser oder in der Luft) bzw. zum Antrieb von Schlitten, Autos und Flugzeugen verwendet werden können. In letzterem Falle ist es denkbar, derartig schwingende abgestimmte Flächen lediglich als Vortriebsorgane oder auch gleichzeitig als Tragflächen auszubilden. Natürlich können ganz verschiedene Ausführungsformen Anwendung finden, so z. B. kann die elastische Kopplung k anstatt durch eine Spiralfeder durch Federn, wie sie in Fig. 1, 5,6, 7,11 verwendet sind, ersetzt werden.
Ferner kann auch die schwingende Fläche direkt mit einem oszillierenden oder hin und her gehenden Organ eines Motors verbunden werden, welches seinerseits mit einer Energiequelle elastisch gekoppelt ist.
Es könnten dies beispielsweise der Anker eines Elektromotors, Fig. 16, oder der Kolben eines Explosionsmotors, Fig. 12 oder 13, sein.
Fig. 11 zeigt einen Kurbelmechanismus, der einen Kreuzkopf antreibt. Die elastische Kopplungsvorrichtung k ist hier alsflachieder ausgebildet, und das schwingende System a, b wird durch den Kreuzkopf a. und die in die Gleitbahn eingebauten Spiralfedern b, b verkörpert. Auch in diesem Falle könnten die Sammelfedem Blattfedern sein, ferner wäre es möglich, statt Stahlfedern Luftkissen od. dgl. zu verwenden.
Sobald der vorliegende Mechanismus au Explosionsmotoren, Dampf-oder anderen Kraftmaschinen zur Anwendung gelangt, ergibt sich die Möglichkeit, 1. die elastischen Mittel des schwingenden Systems ausserhalb des Arbeitszylinders in Form von Federn oder als besondere Kompressionszylinder, wie dies in Fig. 12 dargestellt, anzuwenden, oder auch 2. die Kompressionsräume, die der Energiesammlung dienen (Akkumulierung), mit den Arbeitsräumen, die zur Nachlieferung der verbrauchten Energien bestimmt sind, wie in Fig. 13 dargestellt, zusammenfallen zu lassen.
In Fig. 12 stellen 1 und 11 die Arbeitsräume einer Zweitaktmaschine, z. B. einer Dampfmaschine, dar. Der Kolben a wird in diesem Raume durch den eintretenden Dampf nach links und rechts verschoben und nimmt hiebei die starr mit ihm verbundenen beiden Kolben 7 :, i mit. Verschiebt er sich nach rechts,
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Fig. 13 ist ein Ausführungsbeispiel für eineil Viertaktmotor, bei dem die Explosionen in den einzelnen Zylindern etwa in der Reihenfolge I, IV, II, III erfolgen. TJnmittelbar vor die Explosionsperiode fällt dann in jedem Falle eine Kompressionsperiode, die in vorliegendem Falle gleichzeitig zur Aufspeicherung der Sehwingungsenergien verwendet wird. Soweit Energie nach aussen hin übertragen werden soll, geschieht dies von der die Kolben verbindenden Stange aus.
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Es wurde schon hervorgehoben, dass jedes schwingungsfähige mechanische System sowohl Massen- eigenschaften als auch elastische Eigenschaften aufweisen muss. Es geht jedoch bereits aus obigem hervor, dass die elastischen Mittel ganz verschiedene äussere Formen annehmen können, so z. B. sind an einzelnen Systemen sichtbare Federn zur Anwendung gebracht, während in anderen Systemen das unsichtbare Erdfeld die Wirkung der elastischen Mittel übernimmt.
Aber nicht nur das Erdfeld kann die Stelle der elastischen Mittel vertreten, sondern grundsätzlich jedes Kraftfeld kann zusammen mit einer Masse zur Hervorbringung mechanischer Schwingungen benutzt werden. Ganz besonders geeignet hiezu sind insbesondere elektrische bzw. magnetische Felder.
In Fig. 15 wird in dem Anker a eines Elektromotors, der die Masse eines mechanisch schwingenden Systems verkörpert, ein Weehselfeld erzeugt, welches den Anker innerhalb zweier Magnetpole'In und s, die einem permanenten Magneten angehören können oder auch durch Gleichstrom erzeugt werden, in oszillierende Bewegung setzt, d. h. einmal nach der einen, einmal nach der anderen Seite hinzieht. Es ist nach obigem auch ohne weiteres klar, dass die genannten oszillierenden Bewegungen durch Anbringung
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zwischen Polen gelagert und von demAnker a mitbewegt, einen Strom erzeugt. also wie eine oszillierende Dynamo benutzt wird.
Eine derartige Dynamo, über einen entsprechend bemessenen Kondensator kurz geschlossen, erzeugt eine elektrische Schwingung, d. h. sie formt die elektrische Arbeit L.J@ C. V2
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Man ist also in der Lage, die Elastizität in einem mechanisch schwingenden System sowohl dort. wo sie zum Koppeln als auch dort, wo sie zum Akkumulieren verwendet wird, durch elektrische, magnetische oder andere Kraftfelder zu ersetzen. Es ist überhaupt ohne weiteres möglich, mechanische Grössen im Sehwingungsgebiet für elektrische zu setzen und umgekehrt.
Man kann somit die Massenwirkung in mechanisch schwingende Systeme durch Selbstinduktionswirkung elektrischer Systeme und die elastische Wirkung mechanischer Systeme durch Feldwirkung elektrischer Systeme ersetzen und umgekehrt. Ebenso kann man mit mechanisch schwingenden Systemen elektrische bzw. mit elektrisch schwingenden Systemen mechanische oder mit gemischten Systemen beide benannte Arten koppeln. Natürlich gelingt es auch, gemischte Systeme untereinander zu koppeln. Einige weitere Ausführungsformen von oszillierenden Elektromotoren bzw.
Dynamos zeigen die Fig. 16 bis 18.
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diese Weise ein einfacher oszillierender, elektrisch angetriebener Propeller, der bei abgestimmten Systemen einen vorzüglichen Wirkungsgrad aufweist und an den verschiedensten Stellen zur Förderung gasförmiger
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führt er zunächst eine Bewegung in Richtung des Feldes aus, wobei in dem elastischen Mittel tine immer grössere Spannung erzeugt wird. Durch diese Spannung vergrössert sich der Schlupf zwischen Drehfeld und Anker so lange, bis die Wirkung zwischen Feld und Anker ihre Richtung wechselt und'der Anker teils durch die Spannung des elastischen Mittels, teils durch das Feld zurückgestossen wird.
Da sich dieser Vorgang immer wieder aufs neue abspielen muss, wird der Anker in rasche Oszillationen versetzt.
Die in Fig. 15 sowohl als auch in Fig. 17 beschriebenen Motoren können, da sie in Gleichsehritt mit dem erregenden Wechselstrom arbeiten, als Synchrontypen bezeichnet werden. Es ist jedoch auch möglich, Asynchronmotoren zu bauen, wofür Fig. 18 ein Beispiel darstellt. Der Anker < /des Motors Fig. 18
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geschlossen. so würde der Anker eine entsprechende Bewegung im Sinne des Uhrzeigers ausführen. Soll ein derartiger Motor rotieren, so müsste nach der Spule 2 die Spule 3, dann wieder die Spule 1 usf. kurz- geschlossen werden. Soll er dagegen oszillieren, so sind die Spulen in anderer Reihenfolge kurzzuschliessen.
Spule 1. Spule 2. Spule 1, Spule 2 usf., d. h. die Spulen 1 und 2 werden abwechselnd kurzgeschlossen. und die Spule. 3 kann überhaupt in Wegfall kommen. Da der beschriebene Motor beim Kurzschliessen einer Spule je nach der Stärke des vorhandenen Feldes rascher oder weniger rasch den Weg bis zum
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Eigenperiode) kann der betreffende Motor für jede beliebige Schwingungszahl eingestellt werden.
Um irgendeines der oben beschriebenen Systeme mit einem anderen, wie dies die vorliegende Erfindung verlangt, in Abstimmung zu bringen können. muss entweder die Tourenzahl des erregenden Systems oder die Eigenperiode des erregten Systems änderbar gemacht werden. Letzteres geschieht durch Verschieben elastischer Mittel, z. B. der Einspannstelle von Federn bzw. des Deckels eines Kompressionszylinders, wodurch der Kompressionsraum verkleinert wird, durch Steuerung der Ventile und Änderung des Anpressungsdruckes der Ventile oder durch Änderung des Gasgemisches bzw. des Gas- oder Dampfdruckes u. a. m.
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